Альтернативные источники энергии — какие технологии можно использовать, их преимущества и недостатки

Есть много причин, по которым мир ищет альтернативные источники энергии, чтобы уменьшить загрязняющие вещества и парниковые газы. Альтернативные или возобновляемые источники энергии показывают значительные перспективы в сокращении количества токсинов, являющихся побочными продуктами использования энергии, и помогают сохранить многие природные ресурсы, которые мы в настоящее время используем в качестве источников энергии.

Чтобы понять, как использование альтернативной энергии может помочь сохранить нежный экологический баланс планеты и помочь нам сохранить невозобновляемые источники энергии, такие как ископаемые виды топлива, важно знать, какой тип альтернативной энергии существует.

Давайте рассмотрим некоторые из наиболее распространенных источников.

Основная классификация альтернативных источников энергии

№ п/п	Вид альтернативного источника энергии	Способ применения
1	Энергия солнечного излучения	Фотоэлектрическая панель (ФЭП) Солнечный коллектор Солнечная электростанция (СЭС)
2	Энергия ветра	Ветроэнергетическая установка (ВЭУ) Ветряная электростанция (ВЭС)
3	Гидроэнергия	Гидроэлектростанция (ГЭС)
4	Энергия приливов и отливов	Приливная электростанция (ПЭС)
5	Энергия волн океанов и морей	Волновая электростанция (ВЭС)
6	Геотермальная энергия	Геотермальная станция (ГеоТЭС)
7	Энергия биомассы (биоэнергия)	Переработка твердых, жидких и газообразных видов биотоплива термохимическими, физико-химическими, либо биохимическими методами

Энергия солнца

Всевозможные гелиоустановки используют солнечное излучение как альтернативный источник энергии. Излучение Солнца можно использовать как для нужд теплоснабжения, так и для получения электричества.

Существуют разные способы преобразования солнечного излучения в тепловую и электроэнергию и, соответственно, различные типы солнечных электростанций. Наиболее распространены станции, использующие фотоэлектрические преобразователи (фотоэлементы), объединенные в солнечные батареи.

Солнечные электростанции активно используются более чем в 80 странах мира. Большинство крупнейших фотоэлектрических установок мира находятся в США.

К преимуществам солнечной энергии можно отнести возобновляемость данного источника энергии, бесшумность, отсутствие вредных выбросов в атмосферу при переработке солнечного излучения в другие виды энергии.

Недостатками в использовании солнечной энергии являются дороговизна оборудования, зависимость интенсивности солнечного излучения от суточного и сезонного ритма, а также, необходимость больших площадей для строительства солнечных электростанций. Также серьёзной экологической проблемой является использование при изготовлении фотоэлектрических элементов для гелиосистем ядовитых и токсичных веществ, что создаёт проблему их утилизации.

Энергия электромагнитного солнечного излучения

Она может использоваться для выработки как электроэнергии, как и тепловой энергии. Прямое преобразование солнечной радиации в электроэнергию производится как путем прямого преобразования за счет явления внутреннего фотоэффекта на фотоэлектрических панелях, так и косвенно с использованием термодинамических методов (получение пара с высоким давлением).

Солнечная электростанция

Получение тепловой энергии из солнечной производится за счет поглощения данной энергии и дальнейшего нагрева поверхности и теплоносителя, как специальными коллекторами, так и при помощи использования приемов «солнечной архитектуры».

Совокупность установок для преобразования энергии Солнца составляет солнечную электростанцию.

Pros

• Ветровая энергия не производит загрязнения, которое может загрязнять окружающую среду. Поскольку никаких химических процессов не происходит, как при сжигании ископаемого топлива, вредных побочных продуктов не осталось.

• Поскольку ветрогенерация является возобновляемым источником энергии, мы никогда не закончим ее.
• Сельское хозяйство и выпас скота все еще могут иметь место на земле, занятой ветряными турбинами, которая может помочь в производстве биотоплива.
• Ветровые фермы могут быть построены за пределами берега.

Энергия ветра

Одним из перспективнейших источников энергии является ветер. Принцип работы ветрогенератора элементарен. Сила ветра, используется для того, чтобы привести в движение ветряное колесо. Это вращение в свою очередь передаётся ротору электрического генератора.

Ветроэнергетические установки (ветряные электростанции) широко используются в США, Китае, Индии, а также в некоторых западноевропейских странах (например в Дании, где 25% всей электроэнергии добывают именно таким способом). Ветроэнергетика является весьма перспективным источником альтернативной энергии, в настоящее время многие страны значительно расширяют использование электростанций данного типа.

Преимуществом ветряного генератора является, прежде всего, то, что в ветряных местах, ветер можно считать неисчерпаемым источником энергии. Кроме того, ветрогенераторы, производя энергию, не загрязняют атмосферу вредными выбросами.

К недостаткам устройств по производству ветряной энергии можно отнести непостоянство силы ветра и малую мощность единичного ветрогенератора. Также ветрогенераторы известны тем, что производят много шума (вследствие чего их стараются строить вдали от мест проживания людей), мешают перелетам птиц  и насекомых, а также создают помехи в прохождении радиоволн  и работе военных.

Геотермальные станции

Геотермальная энергетика базируется на использовании естественого тепла Земли и горячих источников в ее недрах. Добываемый пар поступает по трубам на поверхность и вращает турбины. Стоимость электроэнергии включает в себя затраты на бурение скважин и очистку от газов, вызывающих коррозию металла. Но благодаря отсутствию котла, систем удаления дыма и топки издержки относительно невелики.

К недостаткам таких электроустановок относится высокое содержание растворенных в горячей воде вредных газов, которые могут привести к заражению окружающей среды, а также необходимость учета геологических и сейсмологических ограничений для недопущения провала грунта вокруг скважины.

Биоэнергетика

Биоэнергетика позволяет из биотоплива разного вида получать энергию и тепло. Биоэнергетика сейчас находится в стадии активного развития. Крупные промышленные и сельскохозяйственные предприятия активно переходят на биотопливо, что дает им получать электроэнергию и тепло из органического мусора.

К альтернативным источникам энергии относятся не все виды биотоплива: традиционные дрова тоже являются биотопливом, но не являются альтернативным источником энергии. Альтернативное биотопливо бывает твердым (отходы деревообработки и сельского хозяйства), жидким (биодизель и биомазут, а также метанол, этанол, бутанол) и газообразное (водород, метан, биогаз).

Основными преимуществами является утилизация органического мусора, снижение уровня загрязнения окружающей среды. Биотопливо изготавливается из различного сырья, такого как навоз, отходы сельскохозяйственных культур и растений, выращенных специально для топлива. Это возобновляемые ресурсы, которые, вероятно, не закончатся в ближайшее время. Биотопливо снижает выбросы парниковых газов. Кроме того, при выращивании культур для биотоплива они частично поглощают оксид углерода, что делает систему использования биотоплива ещё более устойчивой.

Биотопливо довольно легко транспортировать, оно обладает стабильностью и довольно большой «энергоплотностью», его можно использовать с незначительными модификациями существующих технологий и инфраструктуры.

К недостаткам применения биотоплива относятся:

— ограничения региональной пригодности (в некоторых местностях просто невозможно выращивать биотопливные культуры, например, в местности с холодным или засушливым климатом).

— водопользование – чем меньше воды используется для выращивания сельскохозяйственной культуры, тем лучше, так как вода является ограниченным ресурсом.

— продовольственная безопасность (слишком активное выращивание биотоплива может привести к голоду). Проблема с выращиванием сельскохозяйственных культур для топлива заключается в том, что они займут землю, которую можно было бы использовать для выращивания продуктов питания.

— разрушение среды обитания животных и риск изменения окружающей среды, вследствие применения удобрений и пестицидов при выращивании биотопливных культур (чаще всего это монокультуры для удобства выращивания).

Гидроэнергия

Гидроэнергия представляет собой солнечную энергию, преобразованную в потенциальную энергию, накопленную в плотине или водохранилище естественных и искусственных водоемов. Гидроэнергию можно преобразовывать в механическую либо электроэнергию с помощью гидротурбин. Данные установки называют гидроэлектростанциями (ГЭС).

2. Солнечная энергия

Солнечная энергия используется обычно для отопления, приготовления пищи, производства электроэнергии и даже для опреснения морской воды. Солнечная энергия работает, захватывая солнечные лучи в солнечные батареи, где этот солнечный свет затем преобразуется в электричество. Кроме того, солнечная энергия использует солнечный свет, который поражает солнечные тепловые панели, чтобы преобразовать солнечный свет, чтобы нагреть воду или воздух. Другие методы включают использование солнечного света, который поражает параболические зеркала, чтобы нагреть воду (создавая пар) или просто открывая жалюзи в комнатах или оттенки окна, чтобы позволить солнечному свету пассивно нагревать комнату.

Энергия приливов и отливов

Преобразование энергии приливов и отливов в электроэнергию производится на приливных электрических станциях двумя способами:

1. Первый способ по принципу преобразования энергии аналогичен преобразованию энергии на гидроэлектростанции путем вращения турбины, связанной с электрогенератором;
2. При втором способе используется энергия движения воды; данный способ основан на перепаде уровня воды при приливах и отливах.

The Pros

• Солнечная энергия — это возобновляемый ресурс. Пока Солнце существует, его энергия достигнет Земли.
• Выработка солнечной энергии не приводит к загрязнению водой или воздухом, поскольку отсутствует химическая реакция от сжигания топлива.
• Солнечная энергия может использоваться очень эффективно для практических целей, таких как отопление и освещение.
• Преимущества солнечной энергии часто видны для обогрева бассейнов, курортов и резервуаров для воды во всем мире.

The Cons

• Солнечная энергия не производит энергию, если солнце не светит. Ночные и облачные дни серьезно ограничивают количество произведенной энергии.
• Солнечные электростанции могут быть очень дорогими для сборки.

Атмосферное электричество и грозовая энергетика

Атмосферное электричество может стать еще одним существенным источником экологически чистой энергии. В нижних слоях атмосферы Земли идут интенсивные процессы испарения, переноса тепла и влаги, образования облаков, сопровождающиеся явлениями электризации. В результате, у поверхности Земли напряженность электростатического поля достигает 100…150 В/м летом и до 300 В/м зимой, значительно изменяясь от погодных условий. В атмосфере постоянно висит положительный объемный заряд величиной около 0,57 млн. кулонов. Энергетический ресурс заряженной атмосферы оценивается величиной около 107 ГВт, что не менее чем в 250 раз превышает потребности человеческой цивилизации в энергии.

Вопросы формирования электрической энергии в атмосфере и использования электричества, сформированного естественным путем, тревожили умы многих ученых на протяжении столетий. Все началось со знаменитого опыта Бенджамина Франклина в июне 1752 года, когда он поднял воздушного змея перед грозовым облаком, и экспериментально доказал, что грозовые явления имеют электрическую природу. В 1850–1860-х годах получили патенты на изобретения в области атмосферного электричества Лумис и Уард в США, во Франции. Среди тех, кто мечтал завоевать и использовать атмосферное электричество в качестве практически неиссякаемого источника энергии был и знаменитый изобретатель Никола Тесла, предложивший способ преобразования высокого постоянного напряжения атмосферы в низкое переменное. В Финляндии Герман Плаусон провел эксперименты с аэростатами, изготовленными из тонких листов магниево-алюминиевого сплава, покрытого очень острыми, изготовленными электролитическим способом иглами. На свои устройства он в 1920-х годах получил патенты США, Великобритании и Германии.

К сожалению все предложенные грандиозные устройства так и не получили широкого практического применения ввиду их громоздкости, непрактичности, опасности, а самое главное, нестабильности снимаемой мощности, которая целиком зависит от «электрической погоды» в атмосфере. Но ни смотря, ни на что, интерес к исследованиям атмосферного электричества не угас, и в самые недавние годы достигнуты значительные успехи.

Новые исследования, проведенные учеными из университета Кампинаса в Бразилии, позволили по-новому взглянуть на задачу получения энергии из атмосферного электричества. В результате этих исследований ученые точно определили, каким именно образом происходит процесс формирования и момент высвобождения электричества из капелек влаги скопившейся в воздухе, как создаются электрические заряды в атмосфере, как они распространяются и каким образом они могут быть преобразованы в электрический ток, пригодный для использования.

В качестве преимуществ атмосферных электростанций отмечаются следующие факторы:

— атмосферная электростанция способна вырабатывать энергию постоянно и не выбрасывает в окружающую среду никаких загрязнителей;

— в случае открытия способа хранения и создания суперконденсатора атмосферного электричества, он будет постоянно подзаряжается с помощью возобновляемых источников энергии – солнца и радиоактивных элементов земной коры;

— электроразрядное оборудование атмосферных станций не бросается в глаза. Оно находятся в верхних слоях атмосферы, слишком высоко для того, чтобы их увидеть невооруженным глазом.

Недостатки:

— атмосферное электричество, как и энергию солнца или ветра, трудно запасать. Его необходимо либо использовать сразу же, на месте получения, либо преобразовывать в любую другую форму, например в водород;

— значительная разрядка земельно-ионосферного суперконденсатора может нарушить баланс глобального электрического контура. В этом случае последствия для окружающей среды будут непредсказуемы;

— высокое напряжение в системах атмосферных электростанций может быть опасным для обслуживающего персонала;

— электроразрядное оборудование необходимого размера сложно обслуживать и поддерживать на необходимой высоте. Кроме того, они могут представлять опасность для авиации.

Грозовая энергетика – это пока лишь теоретическое направление. Молния – это сложный электрический процесс. Для того, чтобы «поймать» и удержать энергию молнии, нужно использовать мощные и дорогостоящие конденсаторы, а также разнообразные колебательные системы. Пока еще грозовая энергетика неоконченный и не совсем сформированный проект, хотя и достаточно перспективный. Его привлекательность состоит в возможности постоянно восстанавливать ресурсы.

Вспышки молний на поверхности Земли происходят практически одновременно в самых разных местах планеты. Специалисты NASA, работая со спутником «Миссия измерения тропических штормов», проводят исследования грозовой активности в разных уголках нашей планеты. Ими собраны данные о частоте происхождения молний и создана соответствующая карта. Были установлены определенные регионы, в которых на протяжении года возникает до 70 ударов молнии на квадратный километр площади, и где в перспективе экономически целесообразно использовать данный вид энергии.

Сейчас ученые всего мира изучают этот сложный процесс и разрабатывают планы и проекты по устранению сопутствующих проблем. Возможно, со временем человечество сможет укротить «строптивую» энергию молнии и перерабатывать ее в ближайшем будущем.

3. Геотермальная энергия

Геотермальная буквально означает «земное тепло». Геотермальная энергия использует тепловую энергию, находящуюся под Землей. Горячие камни под землей нагревают воду для производства пара. Когда отверстия пробурены в области, пар, который стреляет вверх, очищается и используется для привода турбин, которые питают электрические генераторы.

Список литературы

1. Боровский, Ю.В. Современные проблемы мировой энергетики / Ю.В. Боровский, М.: Навона, 2011 г. – 232 с.
2. Дегтярев, К.С. К вопросу об экономике возобновляющихся источников энергии / К.С. Дегтярев, А.М. Залиханов, А.А. Соловьев, Д.А. Соловьев // Энергия. Экономика. Техника. Экология. – 2016. – № 10. – С. 10–21.
3. Довгалюк, Ю.А. О прогнозе развития конвективных облаков и связанных с ними опасных явлений с помощью модели малой размерности / Ю.А. Довгалюк, Н.Е. Веремей, А.А. Синькевич., А.К. Слепухина // Вопросы физики облаков. Сборник статей памяти С.М. Шметера. М: ГУ «НИЦ» Планета, 2008. – 167 с.
4. Кузнецов, Д.А. Возможности развития современной грозовой энергетики / Д.А. Кузнецов // Международный студенческий научный вестник. – 2017. – № 4-6.
5. Огарков, А.И. Большая эффективность малой энергетики / А.И. Огарков // АПК: экономика, управление. – 2007. – № 6. – С. 2–6.
6. Суслов, Н.И. Возобновляемые источники энергии в стране, где много традиционных ресурсов: еще о России / Н. И. Суслов // ЭКО. – 2014. – № 3. – С. 69–87.

Картинки взяты с сайта по ссылке.

Король Раиса Александровна

© Раиса Король, научный сотрудник лаборатории моделирования и минимизации антропогенных рисков

e-mail: raisa-korol@

Биоэнергия

Биоэнергию производят из разных видов биологического сырья, которое получается после переработки биоотходов. Из твердых (щепа, пеллеты, древесина, солома), жидких (биоэтанол, биометанол, биодизель) и газообразных (биогаз, биоводород) видов биологического топлива путем термохимических (пиролиз, сжигание), физико-химических (биоконверсия), либо биохимических (анаэробное брожение биомассы) методов преобразования получают тепловую или электрическую энергию.

Преимущества и недостатки альтернативных источников энергии следует рассматривать в индивидуальном порядке, однако выделим несколько общих плюсов и минусов, характерных для всех источников.

Плюсы

• Если все сделано правильно, геотермальная энергия не производит вредных побочных продуктов.
• Как только построено геотермальное растение, оно, как правило, самодостаточно энергично.
• Геотермальные электростанции, как правило, небольшие и мало влияют на природный ландшафт.

Плюсы использования альтернативных источников энергии

• Возобновляемость
• Экологический аспект.
• Широкое распространение, доступность.
• Низкая себестоимость производства энергии в обозримом будущем.

The Cons

• Если сделано неправильно, геотермальная энергия может производить загрязняющие вещества.
• Неправильное сверление в землю может выделять опасные минералы и газы.
• Геотермальные объекты подвержены испарению.

Минусы применения альтернативных источников энергии

• Непостоянство, зависимость от погодных условий и времени суток.
• Невысокий коэффициент полезного действия (за исключение водных источников энергии).
• Высокая стоимость
• Недостаточная единичная мощность установок.

4. Гидроэнергетическая энергия

Гидроэнергетика исходит из потенциальной энергии воды с водой, управляющей гидротурбиной и генератором.

Другим вариантом является использование кинетической энергии воды или неподготовленных источников, таких как приливная сила. Гидроэнергетика работает за счет использования гравитационного спуска реки, которая с давних пор сжимается в одном месте с плотиной или дном. Это создает место, где концентрированное давление и поток воды могут использоваться для вращения турбин или водяных колес для привода электрического генератора. Электрические генераторы, работающие от гидроэлектроэнергии, могут работать в обратном направлении в качестве двигателя, чтобы откачивать воду для последующего использования.

Плюсы

• Вода может накапливаться над плотиной и выпускаться в соответствии с пиками спроса. Поэтому, в отличие от других типов электростанций, гидроэлектростанции могут быстро увеличиваться до полной мощности.
• Электричество может генерироваться постоянно, потому что нет внешних сил, в отличие от других видов альтернативной энергии, которые влияют на доступность воды.
• Гидроэлектроэнергия не производит никаких отходов или загрязнений, поскольку нет никакой химической реакции на производство энергии.
• Вода, используемая для гидроэнергетики, может быть повторно использована.

The Cons

• Плотины могут быть очень дорогими для сборки.
• Необходимо обеспечить достаточный и достаточно мощный запас воды в этом районе для производства энергии.

Поделитесь в соц.сетях:

Оцените статью: (Пока оценок нет) Загрузка...